淺析蕪湖市淺層地熱資源及開發利用

曾明秀

（安徽省地勘局第二水文工程地質勘查院，安徽蕪湖241000）

1 研究區地質概況

1.1 地形地貌

（1）地形。蕪湖市地處沿江丘陵平原，境內地勢總體特征是東西低中間高、北低南高，地形起伏較大，分布標高5.4～431.0m，相對高差425.6m。最高點位于三山區峨橋鎮境內的浮山，標高431.0m；最低點位于鳩江區沈巷鎮境內的長江河漫灘，標高5.4m。

（2）地貌。區內屬沿江丘陵平原區的一部分，根據地貌形態，結合海拔高度將區內劃分為河谷平原、丘陵兩個地貌類型，由心灘、邊灘、河漫灘、一級階地、山前斜地、低丘、高丘六個微地貌組成。

1.2 地層巖性

依據全省淺層地熱能賦存的地質條件及其開發利用特點，將200m以淺地質巖性主要按不同地質時代及其固結程度進行了分類，即將第四系、新近系劃分為松散巖類地層，古近系、白堊系劃為半固結巖類地層，除松散巖類、半固結巖類之外的其它各類地層為固結巖類巖石。區內評價深度內主要有松散巖類、半固結及固結巖類三大類巖性。

（1）松散巖類地層。

①第四系：以沖積及坡積為主。巖性主要為粉質粘土、粉土、粉砂、粉細砂、含礫中粗砂、砂礫石、淤泥、淤泥質粉質粘土、粉質粘土礫石等。

②新近系：巖性主要為砂礫巖和粉砂巖，夾泥巖。呈半固結狀。

（2）半固結巖類地層。區內半固結巖類地層主要為古近系及白堊系。

①古近系：巖性為鈣質礫巖、鈣質巖屑石英砂巖和鈣質粉砂質泥巖、礫巖、砂礫巖、粗粒砂巖、中細粒砂巖互層，長石砂巖和泥巖等。

②白堊系：巖性主要為礫巖、細砂巖、粉砂巖夾鈣質粉砂巖、粉砂質泥巖、泥巖、鈣質粉砂巖、巖屑砂巖與頁巖互層、流紋質凝灰熔巖、流紋質巖屑凝灰巖、安山巖、粗面巖、粗安巖及凝灰質砂巖等。

（3）固結巖類地層。區內固結巖類地層主要為侏羅系、三疊系、二疊系地層和巖漿巖。

①侏羅系下統磨山組：巖性主要為礫巖、含礫砂巖、巖屑石英砂巖、石英砂巖、粉砂巖等。

②三疊系：巖性主要為粉砂巖、粉砂質頁巖、粉砂質泥巖及細砂巖、白云巖、白云質灰巖、灰巖、頁巖、鈣質頁巖夾薄層灰巖等。

③二疊系：巖性主要為硅質巖、硅質頁巖和頁巖、長石英砂巖夾粉砂巖等。

（4）巖漿巖。

①侵入巖：侵入時期均為燕山晚期，大多數出露面積不足0.5km2，巖體主要沿背斜、向斜的核部及兩翼的構造裂隙中侵入，多以巖枝、巖株產出，巖性主要為鉀長花崗巖、二長花崗巖、閃長玢巖、石英閃長玢巖等。

②噴出巖：區內噴出巖分布于寧蕪和繁昌兩個火山盆地內，均屬早白堊世陸相裂隙—中心式噴發的產物。大致以弋江區火龍街道為界，北側為寧蕪火山盆地，大王山旋回以發育噴溢相熔巖為特征，巖性主要為安山巖、粗安巖、粗面巖等。

③脈巖：為酸性巖類，屬引張性充填型脈巖，規模不大，類型有流紋斑巖、花崗斑巖、石英正長斑巖等。

1.3 地層結構

參照相關規范要求并結合淺層地熱能開發利用特點及全省地質條件實際，進行了地層結構分類。本區評價深度內地層巖性結構可分四類，見表1。

2 水文地質條件

表1 地層巖性結構表

2.1 地下水類型及含水巖組劃分

2.1.1 地下水類型劃分

按含水介質區內地下水可劃分為松散巖類孔隙水、紅層孔隙裂隙水、碳酸鹽巖裂隙巖溶水和基巖裂隙水四種類型。

2.1.2 含水巖組劃分

根據含水巖組的巖性特征、組合關系、貯水空間的形態及水力聯系等，將工作區劃分為第四系松散巖類孔隙含水巖組、紅層孔隙裂隙含水巖組、碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組、碎屑巖夾碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組、碎屑巖裂隙含水巖組、巖漿巖裂隙含水巖組、構造破碎巖類含水巖組七個含水巖組。其中第四系松散巖類孔隙含水層按水力性質又分為潛水和承壓水。

2.1.3 含水巖組富水性劃分

含水巖組富水性等級劃分依據單井涌水量。根據收集的鉆孔抽水試驗成果，單井涌水量統一換算口徑8吋；統一換算降深，裂隙—巖溶水、裂隙水20m，孔隙水10m。據此，區內含水巖組富水性可劃分為水量豐富的（單井涌水量1000～3000m3/d）、水量中等的（單井涌水量 100～1000m3/d）、水量貧乏的（單井涌水量 10～100m3/d）、水量極貧乏的（單井涌水量小于10m3/d）四個等級。

2.2 水質特征

針對淺層地溫能開發利用對水質的要求，在工作區內采集了地下水和地表水樣進行了分析測試，根據現行的有關標準進行評價：游離CO2稍有超標，做適當處理后可作為地源熱泵機組循環用水。

3 地熱場條件

3.1 地熱場特征

根據安徽省地質環境監測總站、安徽省地質調查院2014年4月完成的《安徽省蕪湖市淺層地熱能調查與評價報告》及相關資料，對蕪湖市范圍內地熱場特征分析如下：

（1）地熱場垂向分布特征。地熱變化是巖土體熱導率效應，恒溫帶以下地熱主要受地球內部熱能控制。根據地熱場溫度隨深度的變化，將150m以淺自上而下劃分為變溫帶、恒溫帶和增溫帶。

①變溫帶：指地熱場靠近地表的部分，主要受太陽輻射的影響，其溫度變化幅度隨深度的增加呈現規律性遞減。本區變溫帶下限深度22～30m。

②恒溫帶：指地表以下溫度常年基本保持不變的地帶，該層熱能受地球內熱形成的增溫帶與上覆變溫帶影響達到相對平衡。本區溫度一般17℃～19.0℃，恒溫帶埋深上限22～30m，下限25～35m，厚5～10m。

③增溫帶：指恒溫帶以下主要受地球內部熱能影響的地帶。本區增溫帶上限深度一般25～35m，其下由淺到深溫度漸增為增溫帶。恒溫帶以下至150m深度內地熱19.5℃～22℃。本區增溫帶地熱梯度為2.7℃～3.0℃/100m。

（2）地熱場平面分布特征。區內由于地層巖性、地層結構及地下水動力等地質條件在平面上存在較明顯的差異，其地熱場特征也有不同。

①沿長江地區：由于地表水與地下水水力聯系密切，水動力條件有利于水循環和熱傳遞，其上覆地層保溫性能較差、熱交換能力較強，恒溫帶溫度為17.0℃～17.5℃，為區內較低。恒溫帶上、下限深度分別為17.0～20.0m、30.0～35.0m。

②長江以南、長江以北平原地區：大部分地區恒溫帶平均溫度17.5℃～18.0℃，恒溫帶上、下限深度分別為10～15m、25～30m，厚度在5～10m。由于長江以南松散層厚度多小于30m，下伏基巖熱導率較高，與沿長江地區相比，長江以南地區變溫帶明顯較淺。增溫帶地熱梯度2.8℃～3.0℃/100m。

③南部及中部高丘、低丘地區：地熱場受不同地層巖性、地層結構和地下水影響，其變溫帶下限深度6～9m，恒溫帶下限深度22～25m，恒溫帶平均溫度18.0℃～19.0℃，厚10～20m；區內地下水位較淺處，其恒溫帶厚度明顯較小，局部小于5m，增溫帶地熱梯度為2.9℃～3.0℃/100m。

3.2 地熱場變化的影響因素分析

（1）地下水對地熱場的影響。地下水的熱傳遞過程往往是熱對流和熱傳導同時發生，熱對流為其主要熱傳遞方式。由于地下不同深處溫度不同，熱對流往往自然發生，較冷較熱部分之間通過不斷循環流動使地熱場內不同深度的地熱在氣象、水文及地下深處熱力影響下趨于穩定狀態。地下水作為流體，也是地熱的載體，相對于巖土體，它更具有熱傳遞的功能。它可以以自身的狀態儲存能量，也可以搬運能量，在壓力差、溫度差和比重差的作用下發生循環作用。據南京大學巖土體熱導率研究成果，巖土體熱導率與其天然含水量成正比，其熱導率隨天然含水量的增加而提高，但當含水量達到一臨界數值時，其熱導率變化速率趨于穩定。

（2）地層巖性及結構對地熱場的影響。地層巖性是儲藏和傳遞熱能的重要物質基礎，其進行熱傳遞的主要方式是熱傳導。能量在巖石中傳遞機理是靠質點間的振動，不同礦物具有不同的晶體結構和不同原子、分子、離子團構成的晶格質點，故不同巖土體具有不同的熱導率。在松散層中，能量傳遞的機理較復雜，其顆粒大小、形狀、排列方式、孔隙率、含水性質和含水率都是影響因子。地層巖性及地層結構對地熱場的影響主要反映在巖土體熱傳導的變化。

（3）氣候條件對地熱場的影響。本區變溫帶地熱的年內動態變化就是地熱場受氣候條件影響的綜合反映。氣候條件包括日照、氣溫、降水及地表溫度等，日照時間是影響氣溫和地表溫度的主要因素。冬、夏兩季出現氣象要素極值的時段對地熱影響較明顯。

4 淺層地熱能資源開發利用

4.1 淺層地熱能開發利用方式

淺層地熱能資源分別賦存于巖土體、地下水及地表水中，針對不同的賦存條件借助地源熱泵系統采取不同的開發利用方式。分為地源型（地埋管）、地下水源型和地表水源型三種開發利用方式。

（1）地源型利用方式。地源型利用方式是傳熱介質通過豎直或水平的地埋管換熱器與巖土體進行熱交換，又稱地埋管換熱系統。其工作原理是傳熱介質在密閉的豎直或水平地埋管中循環，利用傳熱介質與巖土體、地下水直接的溫差進行熱交換，進而通過熱泵技術實現對建筑物的供暖和制冷，以達到利用淺層地熱能的目的。

當建設工程可利用土地面積有限，建筑冷熱負荷較大時，可考慮使用垂直地埋管方式。當場地可利用面積大，地下水位較高，冷熱負荷量較小時，可以使用水平埋管換熱方式。

（2）地下水源型利用方式。地下水源型利用方式是通過地下水進行熱交換，分為直接地下水換熱系統和間接地下水換熱系統，又稱地下水換熱系統。在地下巖土中鑿建取水井，利用水泵直接抽取地下水，通過間接或直接送水至水源送水至水源熱泵機組與制冷劑進行熱交換，經提取熱量或釋放熱量后，再回灌到地下。地下水直接利用系統，即把地下水直接送到熱泵機組，通過機組內換熱器實現冷熱量的交換和輸送。地下水間接換熱系統，即在直接利用系統管路中，在井口增設地下水/循環水板式換熱器隔離回路，地下水從抽水井抽出送至井口板式換熱器，經過循環水泵，與熱泵機組低溫水換熱，地下水換熱后，再從回灌井回到地下含水層中。地下水間接換熱系統主要用于地下水水質不能滿足熱泵機組要求，且不易處理時采用。應用地下水換熱系統時，對水源的原則要求是水量充足、水溫適度、水質適宜、回灌順暢。

（3）地表水源型利用方式。地表水源型利用方式是通過地表水進行熱交換，又稱地表水換熱系統。根據熱泵機組與地表水體換熱方式的不同，分為開式地表水熱交換系統及閉式地表水熱交換系統。就是利用江河湖泊等地表水作為熱泵機組的熱源，通過水泵和輸配管路將水體的熱量傳遞給熱泵機組，或將熱泵機組的熱量釋放到地表水體中。

開式地表水換熱系統和地下水直接利用換熱系統相似，從水體底部將水通過管道輸送到熱泵機組中，進行熱量交換后，再通過排水管又將其輸送回湖水表面，但水泵的吸入口與排放口的位置應相隔一定的距離。閉式地表水換熱系統通過放置在湖中或河流中的換熱器與熱泵機組連接，吸收或放熱均通過地表水換熱器內的循環介質進行。地表水換熱系統要求建筑物必須臨近地表水體，且地表水體有穩定可靠的面積、水深和水量等。在進行設計時必須考慮地表水體的容量，系統的排、取熱量不能超過水體的熱容量范圍，以免造成地表水體的污染。地下水源型換熱系統和地表水源型換熱系統稱為水源型熱泵系統。

4.2 淺層地熱能開發利用現狀

蕪湖市位于長江中下游地區，地處北亞熱帶濕潤季風氣候區。區內氣候溫暖濕潤，四季分明，雨量充沛，梅雨顯著，日照充足，無霜期長。區內往年僅在熱電廠附近幾家單位和小區利用熱電廠的余熱集中供暖，供暖面積規模較小。其供暖分散，夏季以電風扇為主，冬季不取暖；近幾年，隨著經濟發展和生活水平的逐步提高，分體式空調和電取暖器開始作為建筑空氣調節的主要方式。目前蕪湖市淺層地溫能開發利用工程已投入使用的有6處，其中有5處為地源型熱泵系統、1處為地下水源型熱泵系統。

5 開發利用特點和主要問題

5.1 開發利用特點

本區淺層地熱能賦存特點，決定了其利用方式主要為地源型、地下水源型。該區淺層地熱能開發利用處于初始階段，有6處淺層地熱能開發利用工程已建成使用，對促進本區淺層地熱能開發利用有示范推廣意義。

5.2 主要問題

（1）本區目前開發利用淺層地熱能尚缺乏明確的政策導向。還不夠規范；其開發利用尚處初始階段，開發力度還不大。

（2）開發利用淺層地熱能為新興產業，區內需要在淺層地熱能開發利用適宜性評價的基礎上，編制開發利用規劃，為合理開發利用和管理提供技術依據。

（3）已有6處淺層地熱能開發利用工程中有5處為地源型熱泵系統、1處為地下水源型熱泵系統，較傳統的中央空調系統造價較高。尤其是大量的地埋管換熱器集中在建筑物基礎之下，需要充裕的地下空間，運行過程會對地質環境產生較大的影響。

（4）淺層地熱能資源開發利用工程的審批、設計、勘察、施工和驗收，以及后期的監測與管理的整套程序還沒有明確的管理部門。